Caperuza 5'

En biología molecular, la caperuza 5' (5-prima), también denominada cap-5' o casquete, es un nucleótido alterado situado en el extremo 5′ de algunos transcritos primarios de eucariotas, como el precursor de ARN mensajero (ARNm). Este proceso, conocido como capping está altamente regulado y es vital en la creación de ARNm estables y maduros, capaces de ser traducidos durante la síntesis de proteínas. El ARNm mitocondrial[1] y el de cloroplastos[2] no tienen caperuza.

Estructura
Estructura de una caperuza 5' (cap-2)
Estructura de la ribosa, enseñando las posiciones de los carbonos 2', 3' y 5'.

En eucariotas, la caperuza 5' (cap-0), situada en el extremo 5' de una molécula de ARNm, consiste en un nucleótido de guanina ligado al ARNm mediante un inusual enlace trifosfato 5'-5'. Esta guanosina es metilada por una metiltransferasa en la posición 7, justo después del capping in vivo.[3][4][5][6] Esto se denomina caperuza 7-metilguanilato (m7G).

En eucariotas pluricelulares y en algunos virus eucariotas[7] existen otras modificaciones, incluyendo la metilación de los grupos hidroxilo en 2' de las dos primeras ribosas en el extremo 5' del ARNm. cap-1 tiene un grupo 2'-hidroxi en la primera ribosa, por otro lado cap-2 tiene metilados el 2'-hidroxi en las dos primeras ribosas, como se muestra en la imagen de la derecha.[8] La caperuza 5' es químicamente similar al extremo 3' de una molécula de ARN (el carbono 5' de la ribosa de la caperuza está enlazado, el 3' no). Esto confiere una resistencia significativa a las exonucleasas 5'.

Las moléculas de ARNm pueden perder su caperuza mediante un proceso denominado ARNm decapping (o RNAm decapping en el inglés original).

Los ARN pequeños nucleares (ARNsn) contienen caperuzas 5' especiales. Los ARNsn de clase Sm tienen caperuzas 5'-trimetilguanosina, mientras que los de clase Lsm tienen caperuzas 5'-monometilfosfato.[9]

Proceso de capping

El inicio del proceso tiene lugar en el extremo 5' intacto de una molécula de ARN, que termina en un grupo trifosfato. Esto consiste en un nucleótido terminal seguido por tres fosfatos enlazados al carbono 5'.[3] El proceso empieza antes de que termine la transcripción, de forma simultánea a la síntesis del pre-ARNm.

  1. La ARN-trifosfatasa elimina uno de los fosfatos terminales, dejando un grupo bisfosfato - lo que en notación sería 5'(ppN)[pN]n (cada p es un fosfato y cada N un nucleótido).
  2. La ARNm guanililtransferasa añade una molécula de GTP, que pierde un pirofosfato, al bisfosfato terminal. Esto da lugar al enlace trifosfato 5'-5': 5'(Gp)(ppN)[pN]n.
  3. La ARNm (guanina-N7-) metiltransferasa metila al nitrógeno-7 (N7), S-adenosil-L-metionina se desmetila a S-adenosil-L-homocisteína: 5'(m7Gp)(ppN)[pN]n (cap-0).
  4. Se pueden producir otras modificaciones adyacentes a la caperuza, que normalmente involucran al primero y al segundo nucleótido, produciendo hasta 5'(m7Gp)(ppN*)(pN*)[pN]n (cap-1 y cap-2).[7][8]
  5. Si el nucleótido adyacente a la caperuza más cercano es 2'-O-ribosa metil-adenosina (5'(m7Gp)(ppAm)[pN]n), aún se puede metilar en el N6 para formar N6-metiladenosina, dando lugar a 5'(m7Gp)(ppm6Am)[pN]n.[3]

Marcado

En eucariotas, el complejo enzimático de capping (CEC) necesario para formar la caperuza se encuentra acoplado a la ARN polimerasa II antes de que la transcripción empiece. En cuanto emerge el extremo 5' del nuevo transcrito, el CEC se acoplan a él y empieza el capping. Este mecanismo asegura que el proceso se lleve a cabo, como con la poliadenilación.[10][11][12][13]

Las enzimas de capping sólo se pueden unir a la ARN polimerasa II, asegurando así su especificidad para sus transcritos, que son en su inmensa mayoría ARNm.[11][13]

Función

La caperuza 5' tiene cuatro funciones principales:

  1. Regular la exportación desde el núcleo.[14][15]
  2. Prevenir la degradación por exonucleasas.[16][17][18]
  3. Impulsar la traducción.[3][4][5]
  4. Impulsar la escisión de los intrones proximales a 5'.[19]

La exportación de ARN desde el núcleo está regulada por el complejo de unión a caperuza (CBC, cap binding complex), que se une exclusivamente a ARN con caperuza. Los poros nucleares reconocen al CBC y permiten su exportación. Una vez en el citoplasma y después de la primera ronda de traducción, el CBC es reemplazado por los factores de traducción eIF-4E y eIF-4G.[6] Este complejo es después reconocido por otra maquinaria de iniciación de traducción, que incluye al ribosoma.[20]

La caperuza previene la degradación por 5' de dos formas. En primer lugar, la similitud funcional a un extremo 5' previene la degradación por exonucleasas 5' (como se menciona arriba). En segundo lugar, el CBC así como eIF-4E/eIF-4G bloquean el acceso de enzimas "anticaperuza" (decapping) a la caperuza. Esto incrementa la vida media del ARNm, esencial en eucariotas ya que los procesos de exportación y traducción duran un tiempo considerable.

La pérdida de la caperuza de un ARNm está catalizada por un complejo compuesto al menos por Dcp1 y Dcp2, que compiten con eIF-4E para unirse a la caperuza. Por lo tanto, la caperuza 5' es una marcador de ARNm que están siendo traducidos, y es usada por las células para regular la vida media de los ARNm en respuesta a nuevos estímulos. Los ARNm indeseables son enviados a cuerpos de procesamiento (P-bodies) para su almacenamiento temporal o para la eliminación de sus caperuzas. Este extremo está todavía investigándose.[21]

El mecanismo por el cual se impulsa la escisión de los intrones proximales a 5' todavía no está dislucidada, pero la caperuza 5' parece girar alrededor e interactuar con el espliceosoma durante el proceso de splicing, impulsando la escisión de los intrones.

Véase también

Referencias
  1. Temperley, Richard J.; Wydro, Mateusz; Lightowlers, Robert N.; Chrzanowska-Lightowlers, Zofia M. (junio de 2010). «Human mitochondrial mRNAs—like members of all families, similar but different». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 1797 (6-7): 1081-1085. PMC 3003153. PMID 20211597. doi:10.1016/j.bbabio.2010.02.036. Consultado el 26 de mayo de 2015.
  2. Monde, Rita A; Schuster, Gadi; Stern, David B (7 de junio de 2000). «Processing and degradation of chloroplast mRNA». Biochimie 82 (6-7): 573-582. doi:10.1016/S0300-9084(00)00606-4. Consultado el 26 de mayo de 2015.
  3. Shatkin, A (diciembre de 1976). «Capping of eucaryotic mRNAs». Cell 9 (4): 645-653. doi:10.1016/0092-8674(76)90128-8. Consultado el 26 de mayo de 2015.
  4. Banerjee, A K (junio de 1980). «5'-terminal cap structure in eucaryotic messenger ribonucleic acids». Microbiol Rev 44 (2): 175-205.
  5. Sonenberg, Nahum; Gingras, Anne-Claude (abril de 1998). «The mRNA 5′ cap-binding protein eIF4E and control of cell growth». Current Opinion in Cell Biology 10 (2): 268-275. doi:10.1016/S0955-0674(98)80150-6.
  6. Marcotrigiano, Joseph; Gingras, Anne-Claude; Sonenberg, Nahum; Burley, Stephen K. (junio de 1997). «Cocrystal Structure of the Messenger RNA 5′ Cap-Binding Protein (eIF4E) Bound to 7-methyl-GDP». Cell 89 (6): 951-961. doi:10.1016/S0092-8674(00)80280-9. Consultado el 26 de mayo de 2015.
  7. Fechter, Pierre; Brownlee, George G (1 de mayo de 2005). «Recognition of mRNA cap structures by viral and cellular proteins». Journal of General Virology 86 (5): 1239-1249. doi:10.1099/vir.0.80755-0. Archivado desde el original el 7 de junio de 2013. Consultado el 26 de mayo de 2015.
  8. Meyer, Kate D.; Jaffrey, Samie R. (9 de abril de 2014). «The dynamic epitranscriptome: N6-methyladenosine and gene expression control». Nature Reviews Molecular Cell Biology 15 (5): 313-326. doi:10.1038/nrm3785. Consultado el 26 de mayo de 2015.
  9. Matera, A. Gregory; Terns, Rebecca M.; Terns, Michael P. (marzo de 2007). «Non-coding RNAs: lessons from the small nuclear and small nucleolar RNAs». Nature Reviews Molecular Cell Biology 8 (3): 209-220. PMID 17318225. doi:10.1038/nrm2124. Archivado desde el original el 26 de septiembre de 2011. Consultado el 26 de mayo de 2015.
  10. Cho, E.-J.; Takagi, T.; Moore, C. R.; Buratowski, S. (15 de diciembre de 1997). «mRNA capping enzyme is recruited to the transcription complex by phosphorylation of the RNA polymerase II carboxy-terminal domain». Genes & Development 11 (24): 3319-3326. PMC 316800. PMID 9407025. doi:10.1101/gad.11.24.3319. Consultado el 27 de mayo de 2015.
  11. Fabrega, Carme; Shen, Vincent; Shuman, Stewart; Lima, Christopher D. (junio de 2003). «Structure of an mRNA Capping Enzyme Bound to the Phosphorylated Carboxy-Terminal Domain of RNA Polymerase II». Molecular Cell 11 (6): 1549-1561. doi:10.1016/S1097-2765(03)00187-4. Consultado el 27 de mayo de 2015.
  12. Ho, C. (15 de diciembre de 1999). «An essential surface motif (WAQKW) of yeast RNA triphosphatase mediates formation of the mRNA capping enzyme complex with RNA guanylyltransferase». Nucleic Acids Research 27 (24): 4671-4678. doi:10.1093/nar/27.24.4671. Consultado el 27 de mayo de 2015.
  13. Hirose, Yutaka; Manley, James L (2000). «RNA polymerase II and the integration of nuclear events». Genes Dev 14 (12): 1415-1429. doi:10.1101/gad.14.12.1415. Consultado el 27 de mayo de 2015.
  14. Visa, N.; Izaurralde, E.; Ferreira, J.; Daneholt, B.; Mattaj, I. W. (1 de abril de 1996). «A nuclear cap-binding complex binds Balbiani ring pre-mRNA cotranscriptionally and accompanies the ribonucleoprotein particle during nuclear export». The Journal of Cell Biology 133 (1): 5-14. doi:10.1083/jcb.133.1.5. Consultado el 27 de mayo de 2015.
  15. Lewis, Joe D.; Izaurralde, Elisa (15 de julio de 1997). «The Role of the Cap Structure in RNA Processing and Nuclear Export». European Journal of Biochemistry 247 (2): 461-469. doi:10.1111/j.1432-1033.1997.00461.x. Consultado el 27 de mayo de 2015.
  16. Evdokimova, Valentina; Ruzanov, Peter; Imataka, Hiroaki; Raught, Brian; Svitkin, Yuri; Ovchinnikov, Lev P.; Sonenberg, Nahum (1 de octubre de 2001). «The major mRNA-associated protein YB-1 is a potent 5' cap-dependent mRNA stabilizer». The EMBO Journal 20 (19): 5491-5502. doi:10.1093/emboj/20.19.5491. Consultado el 27 de mayo de 2015.
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  18. Burkard, K. T. D.; Butler, J. S. (15 de enero de 2000). «A Nuclear 3'-5' Exonuclease Involved in mRNA Degradation Interacts with Poly(A) Polymerase and the hnRNA Protein Npl3p». Molecular and Cellular Biology 20 (2): 604-616. doi:10.1128/MCB.20.2.604-616.2000. Archivado desde el original el 6 de noviembre de 2018. Consultado el 27 de mayo de 2015.
  19. Konarska, Maria M.; Padgett, Richard A.; Sharp, Phillip A. (octubre de 1984). «Recognition of cap structure in splicing in vitro of mRNA precursors». Cell 38 (3): 731-736. doi:10.1016/0092-8674(84)90268-X. Consultado el 27 de mayo de 2015.
  20. Kapp, L.D.; Lorsch, J.R. (2004), «The Molecular Mechanics of Eukaryotic Translation», Annual Review of Biochemistry 73 (1): 657-704, PMID 15189156, doi:10.1146/annurev.biochem.73.030403.080419.
  21. Parker, R.; Sheth, U. (2007), «P Bodies and the Control of mRNA Translation and Degradation» (w), Molecular Cell 25 (5): 635-646, PMID 17349952, doi:10.1016/j.molcel.2007.02.011.
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